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1、细细胞与支架材料的相互作用胞与支架材料的相互作用相互作用：相互作用：细细胞在材料上的行胞在材料上的行为为细细胞与材料的黏附胞与材料的黏附（Adhesion）；）；细细胞在材料上胞在材料上扩扩展展（Spreading）；）；细细胞在材料上迁移胞在材料上迁移（Migration）；）；细细胞在材料上聚集胞在材料上聚集（Aggregation）；）；细细胞在材料上功能胞在材料上功能（Function）。细细胞胞-材料黏附：材料黏附：细细胞培养胞培养细细胞在材料上的胞在材料上的扩扩展展在刺激因子的作用下，在刺激因子的作用下，细细胞骨架胞骨架 微微丝丝出出现现不不对对称分布；称分布；在在细细胞周胞周边边
2、区域出区域出现现极化区；极化区；特异性的分子重排；特异性的分子重排；导导致致细细胞空胞空间间形形态发态发生改生改变变。细细胞在材料上胞在材料上扩扩展的展的测测量量Cell morphology was visualized by differential interference contrast at the indicated times after cell attachment to substrate细细胞在材料上的迁移胞在材料上的迁移组组织织工工程程中中，细细胞胞在在材材料料表表面面或或细细胞胞间间迁迁移移，是是 新新组织组织形成或再生的必形成或再生的必经阶经阶段。段。细细胞胞迁迁
3、移移过过程程是是头头部部伸伸出出伪伪足足，附附着着于于材材料料上上，后部黏附解聚，膜收后部黏附解聚，膜收缩缩，进进而而发发生的前移。生的前移。在在复复杂杂环环境境中中细细胞胞迁迁移移很很难难测测量量。常常用用方方法法包包括括 细细胞胞运运动动的的个个体体化化观观测测，或或者者大大量量细细胞胞运运动动前前沿沿 的的测测量。量。细细胞的迁移胞的迁移过过程程在在诱导诱导因子作用因子作用下下:前部伸出前部伸出伪伪足足;形成新的黏附位形成新的黏附位点点;尾部与其它尾部与其它细细胞断开胞断开并与基并与基质质脱脱附附;细细胞膜收胞膜收缩缩;胞体向前移胞体向前移动动。细细胞迁移的胞迁移的测测定定细细胞在材料上
4、的聚集胞在材料上的聚集细细胞聚集胞聚集是研究是研究组织发组织发育的重要育的重要过过程，与程，与细细胞胞 间间的作用密切相关；的作用密切相关；组织组织工程中，工程中，细细胞聚集胞聚集为细为细胞胞-支架复合物或重支架复合物或重 构构组织组织移植物移植物增增强强细细胞功能；胞功能；细细胞胞聚集程度聚集程度用用测测量量聚集体聚集体大小来量度；大小来量度；细细胞胞聚集聚集动动力学力学通通过测过测量量聚集体聚集体大小随大小随时间时间的的 分布，用分布，用计计算机算机图图形分析形分析获获得。得。细细胞聚集成胞聚集成团团分散的分散的红细红细胞胞聚集的聚集的红细红细胞胞细细胞在材料上的功能胞在材料上的功能在在组
5、织组织工程中，工程中，强强调细调细胞的胞的特定功能特定功能：肝肝细细胞：分泌白蛋白和解毒功能；胞：分泌白蛋白和解毒功能；软软骨骨细细胞、成骨胞、成骨细细胞、成胞、成纤维细纤维细胞：胞：ECM、防止反分防止反分化化;成肌成肌细细胞：形成肌小管及收胞：形成肌小管及收缩缩功能；功能；干干细细胞：多向分化潜能、胞：多向分化潜能、诱导诱导分化。分化。材料中材料中细细胞功能胞功能检测检测红红色色:孔隙孔隙黑色黑色:支架材料支架材料 黄色黄色:接种的接种的细细胞胞基基质质分泌分泌 与与检测检测主要内容主要内容细细胞与材料的黏附作用胞与材料的黏附作用(Adhesion)细细胞黏附的意胞黏附的意义义测测定方法定
6、方法影响因素影响因素举举例例:肌腱肌腱细细胞与支架材料的黏附胞与支架材料的黏附细细胞与材料黏附的意胞与材料黏附的意义义组织组织工程基本内涵的体工程基本内涵的体现现：从：从单纯细单纯细胞、胞、单纯单纯 材材料料二者二者结结合；合；组织组织工程研究的主要内容之一；工程研究的主要内容之一；黏附是黏附是细细胞胞发发生迁移、分化和增殖的基生迁移、分化和增殖的基础础；植入材料与机体植入材料与机体发发生作用的基生作用的基础础是是细细胞与材料胞与材料 表面的黏附。表面的黏附。细细胞与材料表面的黏附至关重要胞与材料表面的黏附至关重要细细胞与胞与细细胞或基胞或基质质的黏附的黏附细细胞黏附与胞黏附与组织组织修复修复
7、1.1.在在诱导诱导因子作用下，功能因子作用下，功能细细胞迁移胞迁移 并黏附于并黏附于损伤损伤区，然后分泌基区，然后分泌基质质；2.2.血管内皮血管内皮细细胞迁移并黏附到胞迁移并黏附到损伤损伤区区;3.3.形成形成细细胞外基胞外基质质和血管系和血管系统统。细细胞与材料黏附的胞与材料黏附的测测定方法定方法计计数数测测定方法定方法力学力学测测定方法定方法计计数数测测定方法定方法沉淀法（相差沉淀法（相差显显微微镜镜）荧荧光光标记标记法法染色法染色法形形态态分分类类法法细细胞内胞内酶酶(DNA)的含量的含量计计数法数法细细胞胞悬悬液接种在材料表面，培养后液接种在材料表面，培养后 洗脱洗脱未黏附未黏附细
8、细胞，用胞，用显显微微镜计镜计数，数，计计算出算出 黏附黏附细细胞的百分比：胞的百分比：rate N100%N 0AdhesionN：黏附的黏附的细细胞数胞数N0：接种：接种细细胞胞总总数数计计数法数法优优、缺点、缺点优优点：点：简单简单快捷快捷缺点：缺点：洗脱洗脱标标准准难难掌握掌握重复性差重复性差无可比性无可比性力学力学测测定方法定方法黏附力黏附力细细胞与材料胞与材料间间形成黏附所需的力形成黏附所需的力脱附力脱附力使已形成的使已形成的细细胞黏附胞黏附产产生破坏所需的力生破坏所需的力离心法离心法Fa:细细胞与材料的粘胞与材料的粘 附力附力R:细细胞与胞与转轴转轴的距离的距离:离心机角速度离心
9、机角速度m:细细胞胞质质量量FaCulture dishRotating axis2Fa m R流室流室测测定法定法方法方法在流室中，在流室中，细细胞受到流胞受到流动动液体的剪切力，同液体的剪切力，同时时 受到流室底面材料的黏附力。黏附受到流室底面材料的黏附力。黏附细细胞数量的改胞数量的改变变，给给出出细细胞胞-材料相互作用的信息。材料相互作用的信息。显显微微镜镜密封胶密封胶载载玻片玻片入口入口出口出口带带材料底面材料底面流室流室测测定法定法计计算公式算公式细细胞所受到的切胞所受到的切应应力：力：6Qh2 w:培养液粘度培养液粘度;Q:流室流量流室流量;h:流室高度流室高度;w:流室流室宽宽度
10、。度。hQ流室流室测测定法定法细细胞排列胞排列 0 0微吸管法微吸管法Fa Rp P2Fa：细细胞与材料的胞与材料的 粘附力粘附力 Rp：微吸：微吸管内径管内径 P：微吸微吸管吸管吸压压Cell detatchment from surface polymerPolymerCellMicropipetteFocal adhesion细细胞与材料黏附的影响因素胞与材料黏附的影响因素细细胞因素胞因素材料因素材料因素细细胞因素胞因素细细胞代胞代谢谢状状态态：影响黏附与脱附；：影响黏附与脱附；细细胞接种胞接种时间时间：随接种：随接种时间时间增大而增大；增大而增大；细细胞膜的疏水性：不同胞膜的疏水性：不
11、同细细胞有差异；胞有差异；细细胞表面胞表面电电荷：异性荷：异性电电荷有利于黏附；荷有利于黏附；细细胞的胞的变变形性形性：变变形能力越形能力越强强，黏附越易，黏附越易 发发生。生。材料因素材料因素材料表面物理性材料表面物理性质质：浸：浸润润性性(Wettability)、电电荷荷 性（培养瓶性（培养瓶经辉经辉光放光放电电或酸或酸处处理）；理）；材料表面化学性材料表面化学性质质：不同聚合物、不同基：不同聚合物、不同基团团及成及成 分吸附分吸附细细胞数量及能力不同；胞数量及能力不同；材料表面修材料表面修饰饰：裱：裱衬衬(Coating)蛋白蛋白质质、多、多肽肽、氨、氨 基酸、生基酸、生长长因子等；因
12、子等；材料表面形材料表面形态态：粗糙度：粗糙度(Roughness)及特化及特化结结构构(Texture)。材料表面特性的影响材料表面特性的影响不同聚合物具有不同的不同聚合物具有不同的细细胞黏附性；胞黏附性；聚苯乙聚苯乙烯烯（PS）：）：黏附性聚合物；黏附性聚合物；聚聚羟羟乙基丙乙基丙烯烯酸甲酸甲酯酯（pHEMA）：非黏附性聚：非黏附性聚 合物；合物；用不同比例的用不同比例的PS和和pHEMA获获得不同的得不同的细细胞黏附胞黏附 性的基底。性的基底。筛选筛选材料材料时时考考虑虑其黏附特性其黏附特性表面物理特性的影响表面物理特性的影响细细胞在中等浸胞在中等浸润润性的表面上黏附性的表面上黏附较较好
13、；好；在正在正电电荷表面荷表面细细胞黏附增加；胞黏附增加；细细胞培养基底常用胞培养基底常用辉辉光放光放电电或酸或酸处处理增加表面的理增加表面的 带电带电基基团团数。数。比如：比如：pHEMA 经经酸酸处处理增加了理增加了细细胞的黏附性；胞的黏附性；PS表面等离子表面等离子喷喷涂促涂促进细进细胞黏附。胞黏附。表面化学特性的影响表面化学特性的影响表面血清存在有利于表面血清存在有利于细细胞黏附；胞黏附；化学基化学基团团（Chemical functionalities）：如）：如-OH，-C-O影响影响细细胞黏附；胞黏附；吸附蛋白吸附蛋白质质：如如FN,LN等增加等增加细细胞黏附；胞黏附；表面化学修
14、表面化学修饰饰：共聚、接枝。：共聚、接枝。特化的黏附特化的黏附细细胞表面胞表面Hydrophobic(cell unfriendly)surface has been laid downover a hydrophilic surface through a mesh mask.This left a gridwork pattern ofhydrophilic surface,which has been preferentially colonised by cells in culture.聚合物共混黏附表面聚合物共混黏附表面The polymers differ only in the
15、 proportions of the two component blocks used:(a)has a high density of cells,while(b)has no adherent cells.(a)AB(b)ABA:亲亲水性聚水性聚 合物合物;B:疏水性聚疏水性聚 合合物物.聚合物的降解性聚合物的降解性降解性聚合物降解性聚合物为细为细胞黏附提供了胞黏附提供了动态动态基基质质组织组织工程支架的要求工程支架的要求;PLA，PGA，PLGA是常用的降解性聚合是常用的降解性聚合 物，利于物，利于细细胞黏附并胞黏附并经经FDA认认可；可；细细胞介胞介导导的聚合物降解机制的聚合物降解
16、机制Synthetic peptides may be incorporated into materials to facilitate:controlled degradation via cell mediated enzymaticdegradation材料表面修材料表面修饰饰(Surface modification)预预涂涂纯纯化的黏附分子，促化的黏附分子，促进细进细胞黏附；胞黏附；预预涂黏附分子抑制涂黏附分子抑制剂剂，抑制，抑制细细胞黏附；胞黏附；表面固定胶原及其它胞外基表面固定胶原及其它胞外基质质分子；分子；表面固定生物活性功能基表面固定生物活性功能基团团，短，短肽链肽链或氨基
17、或氨基 酸序列等，提高非酸序列等，提高非(弱弱)黏附表面的特性；黏附表面的特性；固定氨基酸、糖固定氨基酸、糖类类等碳水化合物促等碳水化合物促进细进细胞黏胞黏 附。附。材料表面材料表面结结构的影响构的影响材料表面形材料表面形态结态结构（构（纤维纤维、多多 孔孔）；）；材料表面微材料表面微结结构（微米、构（微米、纳纳 米）；米）；表面粗糙表面粗糙结结构（含构（含沟、槽沟、槽）；）；表面凹凸表面凹凸结结构（含峰、谷）；构（含峰、谷）；表面特化表面特化结结构（黏附区、非黏附构（黏附区、非黏附 区）。区）。材料物理状材料物理状态对细态对细胞的影响胞的影响拉力拉力细细胞胞生物材料生物材料牵牵拉表面拉表面对
18、细对细胞粘附的影响胞粘附的影响肌腱肌腱细细胞胞+硅胶膜硅胶膜：二二维动态维动态培养培养ABA:non-stretchB:stretch牵牵拉表面拉表面对细对细胞功能的影响胞功能的影响细细胞与材料黏附分胞与材料黏附分类类非特异性黏附非特异性黏附(Non-specific adhesion)：由由细细胞和材料表面物理性胞和材料表面物理性质质决定决定特异性黏附特异性黏附(Specific adhesion)：由由细细胞胞 和材料表面分子和材料表面分子间间的特异相互作用决定的特异相互作用决定 (Specific adhesion forces at molecular contact)黏附力的黏附力的
19、类类型型非特异性黏附力：非特异性黏附力：范德瓦范德瓦尔尔斯（斯（Van der Waals）力）力静静电电作用力作用力其它物理作用力其它物理作用力 特异性黏附力：特异性黏附力：受体受体-配体相互作用力配体相互作用力范德瓦范德瓦尔尔斯力斯力分子的空分子的空间间位置或运位置或运动动与其它分子的与其它分子的 空空间间位置或运位置或运动动相互关相互关联联而而产产生的生的 力，其大小与力，其大小与r-6成正比。成正比。静静电电作用力作用力(electrostatic interactions)同种同种电电荷荷产产生相互排生相互排 斥力斥力(repulsive)；异种异种电电荷荷产产生相互吸生相互吸 引力
20、引力(attractive)。其大小与其大小与电电荷量及二者荷量及二者间间距有关距有关q qeF K 1 2r 2rq1q2Fe受受体体-配体相互作用配体相互作用钥钥匙匙 与与 锁锁 的的 作作 用用受受体体-配体相互作用：配体相互作用：综综合作用合作用非共价的；非共价的；几何形状匹配的；几何形状匹配的；许许多弱相互作用；多弱相互作用；取决于受体和配体的距离、角度和位形取决于受体和配体的距离、角度和位形(Conformation)；距离合适，若角度和位形不匹配，会距离合适，若角度和位形不匹配，会“视视而不而不见见”。整合素蛋白受整合素蛋白受体体 ：介介导导黏附黏附细细胞胞-材料特异相互作用是基
21、于材料特异相互作用是基于连连接于材料表面接于材料表面 的的黏附蛋白（黏附蛋白（作作为为配体配体）与与细细胞表面的胞表面的整合素蛋整合素蛋 白白(integrin)（作作为为受体受体）间间的特异性黏附；的特异性黏附；这这种受种受体体-配体配体间间的特异性相互作用可通的特异性相互作用可通过过人工人工 合成多合成多肽肽或蛋白或蛋白质质在体外在体外进进行模行模拟拟。短短链链多多肽肽典型的氨基酸三典型的氨基酸三肽链肽链精氨酸精氨酸-甘氨酸甘氨酸-天冬天冬 氨酸序列氨酸序列Arg-Gly-Asp(RGD)；RGD在很多胞外基在很多胞外基质质黏附蛋白活性黏附蛋白活性链链中存中存 在（在（CN，FN）；）；与
22、整合素蛋白与整合素蛋白(Integrin)受体特异性受体特异性结结合。合。RGD介介导导的粘附的粘附Synthetic peptides may be incorporated into materials to facilitate cell attachment through specific ligands.胞外基胞外基质质蛋白（蛋白（ECM）细细胞胞对对胞外基胞外基质质蛋白，如蛋白，如纤维纤维粘粘连连蛋白蛋白（Fibronectin，FN)和和层层粘粘连连蛋白蛋白（Laminin，LN)的黏附，主要由整合素的黏附，主要由整合素 蛋白蛋白质质(Integrin)受体介受体介导导；整整合
23、合素素蛋蛋白白质质受受体体介介导导的的细细胞胞黏黏附附，是是受受 体体激激活活和和力力学学耦耦合合到到胞胞外外基基质质配配体体上上的的高高 度度调节过调节过程。程。抗黏附作用抗黏附作用阻阻断断或或者者竞竞争争性性吸吸附附材材料料表表面面的的配配体体，或或 者者细细胞胞表表面面的的受受体体，可可有有效效地地抑抑制制细细胞胞与与 材料的特异性黏附；材料的特异性黏附；设计设计材料表面特化区域；材料表面特化区域；设设计计医医用用植植入入材材料料，用用于于防防止止组组织织粘粘连连。腹壁和肌腱修复中防粘腹壁和肌腱修复中防粘连连。FN和胶原介和胶原介导导的黏附的黏附特异性特异性细细胞反胞反应应植入物表面与植
24、入物表面与细细胞或蛋白胞或蛋白质发质发生的特异性相生的特异性相 互作用；互作用；在在设计设计材料材料时时在其表面在其表面进进行分子行分子设计设计，可以，可以 促促进进植入物与机体植入物与机体组织发组织发生特异性黏附；生特异性黏附；这这种种设计设计可极大地促可极大地促进进植入材料与植入材料与细细胞胞间发间发 生的界面生的界面结结合能力。合能力。这这在骨科和牙科植入体提前在骨科和牙科植入体提前负负重有重要意重有重要意义义。举举例例肌腱肌腱细细胞与支架材料的黏附胞与支架材料的黏附Cells and MaterialsHuman embryonic tenocytes(HETCs）Transforme
25、d human embryonic tenocytes(THETCs）Poly-D-lysine(PDL）Bovine serum albumin(BSA)Type I collagen(CNI)and its Antibody(a-CNI)Fibronectin(FN）and its Antibody(a-FN)材料表面材料表面处处理方法理方法PLGA溶于丙溶于丙酮酮；均匀涂抹于均匀涂抹于载载玻片上；玻片上；冻冻干；干；表面孵育表面孵育PDL或或BSA；依次孵育不同依次孵育不同浓浓度度FN或胶原；或胶原；依次孵育不同滴依次孵育不同滴度度FN或胶原抗体；或胶原抗体；孵育不同孵育不同浓浓度度类类
26、胰胰岛岛素生素生长长因子。因子。聚合物膜厚度聚合物膜厚度测测量量Polylactic acid(PLA):18.6 mPolylactic-co-glycolic acid(PLGA):17.3 mSurface of PolymersABCEDF细细胞培养及黏附力胞培养及黏附力测测定定Cell culturecell collectionCell seedingIncubation(37,5%,5%CO2,30min)Micropipette aspiration techniqueExperimental apparatusAdhesion Force MeasurementCalcula
27、tion of adhesion forceR：internal radius of micropipetteP：aspiration pressure of micropipetteap2F R P细细胞脱附胞脱附过过程程接种接种时间时间的影响的影响012354306090120150180Seeding time(minute)Adhesion force(10-8N)HETCs+PLGAHETCs+PLGA+FN(2.0g/ml)THETCs+PLGA THETCs+PLGA+FN(2.0g/ml)Comparison of PLA to PLGA*and*represent stati
28、cally significant differences inside and between groups,respectively（P0.05）,n is number of cellsn=36*n=52n=36*n=40*n=43*n=28*876543210PLAPLGA85/15Adhesive force(10-8N)Polymer(PLA or PLGA85/15)(control)Polymer+BSA(50g/ml)Polymer+PDL(2g/ml)型胶原型胶原对对腱腱细细胞黏附的影响胞黏附的影响0246010125CNI concentration(g/ml)Adhes
29、ion force(10-8N)THETCs+PLGA+CN THETCs+PLGA+CN+A-CN(1:500)FN对对腱腱细细胞黏附的影响胞黏附的影响121086420010125FN concentration(g/m l)Adhesion force(10-8N)THETCs+PLGA+FNTHETCs+PLGA+FN+A-FN(1:1000)Effect of CNI and FN on Adhesion Force010125FN concentration(g/ml)A d hes io n fo rce(1 0-8N)8THETCs+PLGA+CN(2.0g/ml)+FN6420